KR102234182B1

KR102234182B1 - 영구자석 모터 회전자 구조

Info

Publication number: KR102234182B1
Application number: KR1020190146826A
Authority: KR
Inventors: 청-쉰 판; 청-터 츠; 루에이-빈 시아오
Original assignee: 하이윈 마이크로시스템 코포레이션
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-03-31

Abstract

본 발명에서 제공하는 영구 자석 모터의 회전자 구조는 고리형 회전자 내 할바흐 어레이에 따라 배열된 자석에서 평행 어레이의 자석과 회전자 외부 고리 둘레 사이의 거리, 및 고리형 회전자의 내외경 차이에 있어서, 그 거리/내외경 차이 간의 비가 0.43 내지 0.48 사이인 것을 주요 기술특징으로 한다.

Description

영구자석 모터 회전자 구조 {ROTOR STRUCTURE OF PERMANENT MAGNET MOTOR}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영구자석 모터 회전자 구조에 관한 것이다.

전자기 기술을 활용한 모터 장치는 그 기술 개발이 이미 성숙 단계에 있으나 성능 강화, 에너지 소비 감소 등 개선된 기술에 대한 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 그 중에서도 클라우스 할바흐(Klaus Halback)가 20세기에 할바흐 어레이(Halbach Array)를 개시한 이후, 그 특수한 자석 배열 방식은 종래의 자석 배열 방식에 비해 모터의 코깅 토크(cogging torque) 및 리플 토크(ripple torque) 효과의 발생을 크게 감소시키며 모터의 진동과 소음을 더욱 개선한다. 또한 자기 자기 차폐(magnetic self-shielding) 특성은 모터의 자기 누설 현상을 감소시키고 모터의 외부 환경에 대한 전자기 간섭을 줄일 수 있어 모터의 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다.

그러나 할바흐 어레이에 대한 연구는 개시된 선행 기술로는 여전히 부족하다.

본 발명의 주요 목적은 모터의 토크를 증가시키고 자기 누설을 감소시키며 철손을 줄일 수 있는 영구 자석 모터의 회전자 구조를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서 제공하는 영구 자석 모터의 회전자 구조는 고리형 회전자 내 할바흐 어레이에 따라 배열된 자석에서 평행 어레이의 자석과 회전자 외부 고리 둘레 사이의 거리, 및 고리형 회전자의 내외경 차이에 있어서, 그 거리/내외경 차이 간의 비가 0.43 내지 0.48 사이인 것을 주요 기술특징으로 한다.

여기에서 거리/내외경 차이의 비는 비교적 바람직하게는 0.44 내지 0.46 사이이다.

여기에서, 할바흐 어레이 중 평행 어레이의 자석 강도는 할바흐 어레이 중 반경 방향 어레이의 자석 강도보다 약하다.

본 발명의 유익한 효과는, 영구 자석 모터의 회전자 구조는 자기누설 차단 효과 측면에서 종래 기술보다 현저하게 우수하여 모터의 출력 전력과 효율을 향상시킬 수 있다. 영구 자석 모터의 회전자 구조는 종래 기술보다 우수한 성능을 나타낸다. 따라서 이는 본 발명에서 제공하는 기술이 종래 기술에 비해 모터 토크의 향상, 자기누설 감소 및 철손 감소의 효과가 현저하다.

도 1은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에서 도 1 중 A영역에 따른 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에서 상이한 α/β값의 토크, 철손 및 코깅 곡선도이다.
도 4는 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에서 α/β값이 0.45인 자속 밀도도이다.
도 5는 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에서 α/β값이 0.45인 자기 회로도이다.
도 6은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에서 α/β값이 0.48인 자속 밀도도이다.
도 7은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예와 종래 기술의 자기누설 비교도이다.
도 8은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예와 종래 기술의 성능 비교도이다.

먼저 도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 따른 영구 자석 모터의 회전자 구조(10)는 주로 회전자(20), 복수개의 제1 자석(30) 및 복수개의 제2 자석(40)을 포함한다.

상기 회전자(20)는 둥근 고리 형상의 몸체(21)를 구비하고, 복수개의 직사각형 단면을 갖는 제1 슬롯(22)은 상기 몸체(21) 외부 고리 둘레로부터 안쪽을 향해 몸체(21)의 반경 방향으로 제1 길이(L1)가 연장되고, 복수개의 직사각형 단면을 갖는 제2 슬롯(23)은 상기 몸체(21)에 각각 설치되고, 인접한 2개의 제1 슬롯(22) 사이에 개재되며, 각 상기 제2 슬롯(23)의 장축은 몸체의 반경 방향에 수직이므로, 각 상기 제1 슬롯(22) 및 각 상기 제2 슬롯(23)은 상기 몸체(21) 상에서 종횡 교차하는 배열 상태를 형성한다.

또한 상기 회전자(20)는 복수개의 시트형 지지체(24)를 더 포함하고, 상기 시트형 지지체(24)는 각 상기 제1 슬롯(22)의 연장 단부 끝에 각각 돌출 설치되고, 상기 몸체(21)의 반경 방향을 따라 각 제1 슬롯(22)의 노치 방향으로 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이(L2)가 연장되고, 복수개 쌍의 오목 챔버(25)는 각 상기 제2 슬롯(23)의 장축 양단에 각각 오목하게 설치되어 단축 일측의 모서리 상에 위치하고, 각 상기 제2 슬롯(23)의 장축에 수직이다.

각 상기 제1 자석(30)은 각각 직사각형 블록 형상을 가지며, 각 상기 제1 슬롯(22)에 삽입 설치되고, 장축 일단은 대응하는 지지체(24)의 연장 단부 끝에 맞닿고, 각 상기 제1 자석(30)의 길이는 상기 제1 길이(L1)와 상기 제2 길이(L2)의 차이보다 짧게 함으로써, 각 상기 제1 자석(30)의 장축 타단이 각 상기 제1 슬롯(22)의 노치 내측에 매립되도록 하여 상기 몸체(21) 외부 고리측 밖으로 돌출되지 않도록 한다.

각 상기 제2 자석(40)은 각각 직사각형 블록 형상을 가지며, 자기 강도는 각 상기 제1 자석(30)의 자기 강도보다 작고, 각 상기 제2 슬롯(23)에 내장하여 각 상기 제2 자석(40)의 직사각형 형상과 각 상기 제2 슬롯(23)의 직사각형 형상을 동일하게 함으로써, 각 상기 제2 자석(40)을 각 상기 제2 슬롯(23) 내에 안정적으로 매립한다.

각 상기 제1 자석(30)과 각 상기 제2 자석(40)은 할바흐 어레이로 배열하며, 여기에서 방사상으로 배열된 각 상기 제1 자석(30)은 반경 방향 어레이이며, 상기 몸체(21) 원주 방향을 따라 배열된 각 상기 제2 자석(40)은 평행 어레이이다. 또한 평행 어레이에서 각 상기 제2 자석(40)은 단축 방향에서 상기 몸체(21) 곡률 중심으로부터 먼 일단과 상기 몸체(21) 외부 고리면 사이의 간격(α)과, 상기 몸체(21) 내외경 차이값(β)은 양자 간에 특정한 비례 관계가 존재한다. 도 3에서 도시하는 바와 같이, 상기 간격(α)/상기 내외경 차이값(β)의 값은 0.43 내지 0.48 사이이고, 이는 토크(T) 향상, 철손(CL) 및 코깅(CG) 감소의 효과가 현저하다. 비록 최적의 비율은 필요에 따라 다르게 볼 수 있으며 총체적으로 0.44와 0.46 사이의 비율이 보다 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 토크 향상이 목적인 경우, 상기 α/β값은 0.45가 바람직하며, 이때 그 자속 밀도 및 자기 회로도는 도 4 및 도 5에서 도시하는 바와 같고, 코깅 감소가 목적이라면 α/β값은 0.48이 가장 바람직하며, 이때 그 자속 밀도는 도 6에서 도시하는 바와 같다.

성능적 관점에서 볼 때, 도 7 및 도 8의 비교도에서 도시하는 바와 같이, 두 도면에서 실선은 본 발명을, 점선은 종래 기술을 표시한 것이며, 도 7의 자기누설 비교도에서 알 수 있듯이, 상기 영구 자석 모터의 회전자 구조(10)는 자기누설 차단 효과 측면에서 종래 기술보다 현저하게 우수하여 모터의 출력 전력과 효율을 향상시킬 수 있다. 도 8의 성능 비교도에서 증명하는 바와 같이, 상기 영구 자석 모터의 회전자 구조(10)는 종래 기술보다 우수한 성능을 나타낸다. 따라서 이는 본 발명에서 제공하는 기술이 종래 기술에 비해 모터 토크의 향상, 자기누설 감소 및 철손 감소의 효과가 현저하다는 것을 입증하기에 충분하다.

10: 영구 자석 모터의 회전자 구조
20: 회전자
21: 몸체
22: 제1 슬롯
23: 제2 슬롯
24: 시트형 지지체
25: 오목 챔버
30: 제1 자석
40: 제2 자석
L1: 제1 길이
L2: 제2 길이
α: 간격
β: 내외경 차이값
T: 토크
CL: 철손
CG: 코깅

Claims

영구 자석 모터의 회전자 구조에 있어서,
고리형 몸체를 구비하고, 복수개의 제1 슬롯이 서로 이격되어 각각 상기 몸체의 반경 방향을 따라 방사상으로 상기 몸체 상에 설치되고, 복수개의 제2 슬롯이 서로 인접한 각 상기 제1 슬롯 사이에 각각 개재되고, 상기 몸체의 원주 방향을 따라 배열되는 회전자;
각 상기 제1 슬롯에 각각 매립되는 복수개의 제1 자석; 및
각 상기 제2 슬롯에 각각 매립되는 복수개의 제2 자석을 포함하고,
각 상기 제2 자석의 상기 몸체 곡률 중심으로부터 먼 일측과 상기 몸체의 외부 고리 둘레 사이의 간격, 및 상기 몸체의 내경과 외경 간의 차이값에 있어서, 상기 간격/상기 내외경 차이값이 0.43 내지 0.48 사이인 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제1항에 있어서,
상기 간격/상기 내외경 차이값이 0.44 내지 0.46 사이인 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
각 상기 제1 자석과 각 상기 제2 자석이 모두 직사각형이며, 각 상기 제1 자석의 장축이 상기 몸체의 반경 방향에 평행하고, 각 상기 제2 자석의 장축이 상기 몸체의 반경 방향에 수직인 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
각 상기 제2 자석의 자기 강도가 각 상기 제1 자석의 자기 강도보다 작은 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제3항에 있어서,
각 상기 제2 슬롯이 상기 제2 자석과 동일한 직사각형 형상을 가지는 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제5항에 있어서,
상기 회전자는 각 상기 제2 슬롯 단축 일측의 양단 상에 각각 오목하게 설치되고 각 상기 제2 슬롯의 장축에 수직인 복수개의 오목 챔버를 더 포함하는 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제3항에 있어서,
각 상기 제1 슬롯은 상기 몸체의 외부 고리면으로부터 안쪽으로 각각 연장되고 길이가 각 상기 제1 자석보다 큰 직사각형 형상을 가지는 영구 자석 모터의 회전자 구조.
제7항에 있어서,
상기 회전자는 각 상기 제1 슬롯의 연장 단부 끝에 각각 돌출 설치되어 상기 몸체의 반경 방향을 따라 외부로 연장되고, 그 연장 길이가 각 상기 제1 슬롯 길이와 각 상기 제1 자석 길이의 차이값보다 작은 복수개의 지지체를 더 포함하는 영구 자석 모터의 회전자 구조.